-
Die
Erfindung betrifft einen Differenzdruckwandler.
-
Differenzdruckwandler
dienen zur Erfassung von Differenzdrücken und werden beispielsweise
in in der industriellen Messtechnik verwendeten Differenzdruckmessaufnehmern
eingesetzt. Dort werden sie beispielsweise zur Füllstandsmessung oder zur Durchflussmessung
verwendet. Bei der Füllstandsmessung
wird beispielsweise die Differenz zwischen einem unten in einem
Behälter
wirkenden ersten Druck und einem oberhalb des Füllguts herrschenden zweiten
Druck gemessen. Die Differenz ist proportional zu einem füllstands-abhängigen hydrostatischen
Druck im Behälter
und damit zum Füllstand.
Bei der Durchflussmessung wird beispielsweise ein Strömungswiderstand
in eine Leitung eingesetzt und mittels eines Differenzdruckmessaufnehmers
eine Differenz eines vor dem Widerstand herrschenden ersten Drucks
und eines hinter dem Widerstand herrschenden zweiten Drucks ermittelt.
Dieser Differenzdruck ist ein Maß für den Durchfluss durch die
Leitung.
-
In
der Druckmesstechnik werden gerne Halbleiter-Differenzdrucksensor-Chips,
z.B. Silizium-Chips mit eindotierten Widerstandselementen, als druckempfindliche
Elemente eingesetzt. Derartige Differenzdrucksensor-Chips umfassen
eine Messmembran, deren eine Seite im Messbetrieb einem ersten Druck
und deren zweite Seite einem zweiten Druck ausgesetzt wird. Die
einwirkenden Drücke
bewirken eine resultierende Auslenkung der Messmembran, die dem
zu messenden Differenzdruck entspricht. Drucksensor-Chips sind in der
Regel sehr empfindlich und werden deshalb nicht direkt einem Medium
ausgesetzt, dessen Druck aufgenommen werden soll. Stattdessen werden
mit einer Flüssigkeit
gefüllte
Druckmittler vorgeschaltet.
-
Differenzdruckmessaufnehmer
weisen hierzu regelmäßig einen
massiven typischer Weise mehrteiligen metallischen Messaufnehmerblock
auf, auf dem außenseitlich
eine erste und eine dieser parallel dazu gegenüberliegend angeordnete zweite
Trennmembranen angeordnet sind. Dabei schließt die erste Trennmembran eine
erste Druckempfangskammer ab, die über eine Druckübertragungsleitung
mit einer ersten Druckmesskammer verbunden ist. Entsprechend schließt die zweite
Trennmembran eine zweite Druckempfangskammer ab, die über eine
Druckübertragungsleitung
mit einer zweiten Druckmesskammer verbunden ist. Die erste und die
zweite Druckmesskammer sind durch die Messmembran des Differenzdrucksensors
voneinander getrennt.
-
Die
beiden Druckempfangskammern, die beiden Druckmesskammern sowie die
Druckübertragungsleitungen
sind mit einer Druck übertragenden
Flüssigkeit
gefüllt,
die dazu dient, den von außen
auf die jeweilige Trennmembran einwirkenden Druck auf die jeweils
zugeordnete Seite der Messmembran zu übertragen.
-
Es
gibt eine Vielzahl von Anwendungen, in denen zumindest kurzzeitig
Drücke
auf den Differenzdruckmessaufnehmer einwirken können, die einen Messbereich,
für den
der Differenzdruckmessaufnehmer ausgelegt ist, überschreiten. Dies kann insb.
im Fall einer einseitigen Überlast
zu einer Beschädigung
oder sogar zu einer Zerstörung
der Messmembran führen.
-
Um
dies zu vermeiden werden Differenzdruckmessaufnehmer regelmäßig mit
einem Überlastschutz ausgestattet.
Ein Beispiel hierfür
ist eine in den Messaufnehmerblock eingesetzte metallische scheiben-
oder ringscheibenförmige Überlastmembran,
an deren erste Seite eine von der Überlastmembran abgeschlossene erste Überlastkammer
angrenzt, und an deren zweite Seite eine von der Überlastmembran
abgeschlossene zweite Überlastkammer
angrenzt. Die erste Überlastkammer
ist über
entsprechende Druckübertragungsleitungen
mit der ersten Druckempfangskammer und mit der ersten Druckmesskammer
verbunden, und die zweite Überlastkammer
ist über
entsprechende Druckübertragungsleitungen
mit der zweiten Druckempfangskammer und mit der zweiten Druckmesskammer
verbunden. Eine einseitig auf eine der Trennmembranen einwirkende Überlast
wird durch eine entsprechende Auslenkung der Überlastmembran aufgefangen.
Die Überlastmembran
ist dabei derart dimensioniert, dass sie das gesamte unter der Trennmembran
vorhandene Flüssigkeitsvolumen
elastisch, ohne selbst zur Anlage zu kommen, aufnehmen kann.
-
Diese
sehr wirksame Form des Überlastschutzes
führt jedoch
zu einer komplizierten Konstruktion des Messaufnehmers, die zu erhöhten Herstellungskosten
und zu vergrößerten mechanischen
Abmessungen führt.
Zudem wird für
diese Form des Überlastschutzes
mehr Flüssigkeit
benötigt,
da die beiden auf den Differenzdruckwandler einwirkenden Drücke jeweils
von der zugeordneten Druckempfangskammer zur zugeordneten Überlastkammer
und von dort zur zugeordneten Druckmesskammer übertragen werden müssen. Je
größer die
benötigte
Flüssigkeitsmenge
ist, umso größer ist
auch ein durch eine thermische Ausdehnung der Flüssigkeit bedingter von der
Temperatur abhängiger
Messfehler.
-
Die
metallischen Überlastmembranen
werden regelmäßig in den
Druckmessaufnehmer eingeschweißt.
Das Schweißen
der metallischen Überlastmembran
führt zu
einer Veränderung
des Materialgefüges im
Bereich der Schweißnaht,
die unter extremer mechanischer Belastung zu plastischen Verformungen
führen kann,
die die Messeigenschaften, beispielsweise durch Hysteresefehler,
beeinträchtigen
kann.
-
Es
ist eine Aufgabe der Erfindung einen kompakten, einfach aufgebauten
+ Differenzdruckwandler mit einem wirksamen Überlastschutz anzugeben.
-
Hierzu
besteht die Erfindung in einem Differenzdruckwandler mit
- – einem
ersten und einem zweiten Träger
- – einem
zwischen den Trägern
angeordneten Differenzdrucksensor-Chip mit einer Messmembran mit
integrierten Sensorelementen
- – einer
ersten von der Messmembran und dem ersten Träger abgeschlossenen ersten
Druckmesskammer,
– der über eine
durch den ersten Träger
hindurch führende
erste Druckübertragungsleitung
ein erster Druck zuführbar
ist,
- – einer
zweiten von der Messmembran und dem zweiten Träger abgeschlossenen zweiten
Druckmesskammer,
– der über eine
durch den zweiten Träger
hindurch führende
zweite Druckübertragungsleitung
ein zweiter Druck zuführbar
ist,
- – einem
im erster Träger
integrierten ersten Membranbett für die Messmembran, und
- – einem
im zweiten Träger
integrierten zweiten Membranbett für die Messmembran, bei dem
- – die
Messmembran eine Überlastmembran
bildet,
– die
sich im Falle einer einseitig darauf einwirkenden Überlast
an das erste oder das zweite Membranbett anlegt.
-
Gemäß einer
ersten Ausgestaltung ist der erste Träger ein Substrat, das aus einem
Halbleiter, insb. aus Silizium, oder aus einem Borosilikatglas besteht.
-
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist der zweite Träger ein Deckel, der aus einem
Halbleiter, insb. aus Silizium, oder aus einem Borosilikatglas besteht.
-
Gemäß einer
Weiterbildung weist der erste Träger
einen Abschnitt auf, der einen unter der Messmembran befindlichen
dem ersten Träger
zugewandten Hohlraum des Differenzdrucksensors-Chips unter Freilassung
der ersten Druckmesskammer ausfüllt.
-
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung weist der erste Träger eine parallel zur Messmembran
verlaufende Stirnfläche
auf, die das zweite Membranbett bildet.
-
Gemäß einer
Weiterbildung ist der Differenzdrucksensor-Chip auf den ersten Träger gebondet, und/oder
der zweite Träger
ist auf den Differenzdrucksensor-Chip
gebondet.
-
Gemäß einer
weiteren Weiterbildung weist das erste und/oder das zweite Membranbett
eine Form auf, die einer Biegelinie der Messmembran nachempfunden
ist, die die Messmembran einnimmt, wenn sie durch ein Einwirken
einer einseitigen Überlast
in Richtung des jeweiligen Membranbetts ausgelenkt wird.
-
Weiter
besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung eines Differenzdruckwandlers
gemäß der letztgenannten
Weiterbildung, bei dem
- – eine Biegelinie der Messmembran
beim Einwirken einer einseitigen Überlast mittels optischer Verfahren aufgezeichnet
wird, und
- – eine
Formgebung des zugehörigen
Membranbetts mittels mechanischer oder ätztechnischer Bearbeitung entsprechend
der aufgezeichneten Biegelinie erfolgt.
-
Weiter
besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen Differenzdruckwandlern,
bei dem
- – alle
in einem Wafer enthaltenen Diffrerenzdrucksensor-Chips in einem
Arbeitsgang auf zugehörige
erste Träger
aufgebondet werden, und
- – in
einem weiteren Arbeitsgang die zweiten Träger auf die mit den ersten
Trägern
verbundenen Differenzdrucksensor-Chips aufgebondet werden.
-
Die
Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung,
in denen zwei Ausführungsbeispiele
dargestellt sind, näher
erläutert.
Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
-
1 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdruckwandler;
und
-
2 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdruckwandler,
bei dem beide Membranbetten eine einer Biegelinie der Messmembran
nachempfundene Form aufweisen.
-
1 zeigt
einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Differenzdruckwandlers.
Dieser umfasst einen ersten Träger 1 und
einen zweiten Träger 3.
Zwischen dem ersten und dem zweiten Träger 1, 3 ist
ein Differenzdrucksensor-Chip 5 angeordnet. Der Differenzdrucksensor-Chip 5 ist ein
Halbleiter Sensor, vorzugsweise ein Silizium-Chip, und weist eine
Messmembran 7 mit integrierten Sensorelementen 9 auf.
Hierzu eignen sich beispielsweise in die Messmembran 7 eindotierte
Widerstandselemente, z.B. piezoresistive Elemente, die einzeln oder
in Form von Brückenschaltungen
zusammengeschaltet über entsprechende
Kontakte 11 am äußeren Rand
des Differenzdrucksensor-Chips 5 an eine in 1 nicht
dargestellte Messschaltung anschliessbar sind. Der Differenzdrucksensor-Chip 5 weist
einen im wesentlichen hohlzylindrischen als Stützkörper für die Messmembran 7 dienenden
Rand 13 auf. Die Messmembran 7 schließt mit einer
dem zweiten Träger 3 zugewandten
Seite frontbündig
mit einer dem zweiten Träger 3 zugewandten
Stirnfläche
des Randes 13 ab. Unterhalb der Messmembran 7 auf
deren dem ersten Träger 1 zugewandten
Seite befindet sich eine im Querschnitt konisch in Richtung der
Messmembran 7 zulaufende Ausnehmung 15 über die
die Messmembran 7 frei zugänglich ist.
-
Der
erste Träger 1 ist
vorzugsweise ein Substrat, das aus einem Halbleiter, insb. aus Silizium,
oder aus einem Borosilikatglas besteht. Der Differenzdrucksensor-Chip 5 liegt
mit einer ersten ringscheibenförmigen
Stirnfläche 17 auf
einem äußeren Rand
des ersten Trägers 1 auf.
Der Differenzdrucksensor-Chip 5 ist auf den ersten Träger 1 gebondet.
Die Bondung erfolgt vorzugsweise auf Waferlevel. Dabei werden alle
in einem Wafer enthaltenen Differenzdrucksensor-Chips 5 in
einem Arbeitsgang auf die zugehörigen
ersten Trägern 1 aufgebracht.
In Abhängigkeit
von der Materialauswahl für
den ersten Träger 1 und
den Differerenzdrucksensor-Chip 5 werden die Bondungen
anodisch, eutektisch oder auch silizium-direkt ausgeführt. Dabei
werden Silizium und Borosilikatglas vorzugsweise durch anodisches
Ronden miteinander verbunden. Verbindungen von Silizium mit Silizium
erfolgen vorzugsweise durch Silizium-direkt Ronden oder durch eutektisches
Ronden. Beim eutektischen Ronden wird vorzugsweise Gold für die Bildung
der Zwischenschicht verwendet.
-
Der
zweite Träger 3 ist
vorzugsweise ein die Messmembran 7 überdeckender Deckel, der ebenfalls aus
einem Halbleiter, insb. aus Silizium, oder aus einem Borosilikatglas
besteht. Der Deckel weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
einen Außendurchmesser
auf, der geringer als der Außendurchmesser
des Diffferenzdrucksensor-Chips 5 ist. Der Außendurchmesser
ist dabei so bemessen, dass die auf dem äußeren Rand des Differenzdrucksensor-Chips 5 angeordneten
Kontakte 11 frei zugänglich
sind. Der Deckel weist eine äußere ringscheibenförmige Stirnfläche 19,
die auf einer formgleichen die Messmembran 7 außenseitlich
umgebenden Stirnfläche
des Randes 13 des Differenzdrucksensor-Chips 5 aufliegt.
Der zweite Träger 3 ist
auf den Differenzdrucksensor-Chip 5 gebondet. Die Bondung
erfolgt auch hier vorzugsweise auf Waferlevel. Dabei werden alle
in einem Wafer enthaltenen zweiten Träger 3 in einem Arbeitsgang
auf die zugehörigen
bereits auf die ersten Träger 1 aufgebrachten
Differenzdrucksensor-Chips 5 aufgebracht. In Abhängigkeit
von der Materialauswahl für
den zweiten Träger 3 und
den Differerenzdrucksensor-Chip 5 wird die Bondung auch
hier vorzugsweise anodisch, eutektisch oder auch silizium-direkt
ausgeführt.
Auch hier werden Silizium und Borosilikatglas vorzugsweise durch
anodisches Ronden miteinander verbunden. Verbindungen von Silizium
mit Silizium erfolgen vorzugsweise durch Silizium-direkt Ronden
oder durch eutektisches Ronden. Beim eutektischen Ronden wird vorzugsweise
Gold für
die Bildung der Zwischenschicht verwendet.
-
Der
Differenzdruckwandler weist eine erste von der Messmembran 7 und
dem ersten Träger 1 abgeschlossene
erste Druckmesskammer 21 und eine von der Messmembran 7 und
dem zweiten Träger 3 abgeschlossene
zweite Druckmesskammer 23 auf. Die erste Druckmesskammer 21 ist über eine
durch den ersten Träger 1 hindurch
führende
erste Druckübertragungsleitung 25 ein
erster Druck zuführbar.
Der zweiten Druckmesskammer 23 ist über eine durch den zweiten
Träger 3 hindurch
führende
zweite Druckübertragungsleitung 27 ein
zweiter Druck zuführbar.
-
Der
Differenzdruckwandler weist ein im ersten Träger 1 integriertes
erstes Membranbett 29 und ein im zweiten Träger 3 integriertes
zweites Membranbett 31 für die Messmembran 7 auf.
Erfindungsgemäß bildet
die Messmembran 7 eine Überlastmembran,
die sich im Falle einer einseitig darauf einwirkenden Überlast
an das erste oder das zweite Membranbett 29, 31 anlegt.
-
Das
erste Membranbett 29 wird in dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
durch eine parallel zur Messmembran 7 verlaufende Stirnfläche des
ersten Trägers 1 gebildet.
Hierzu besteht der erste Träger 1 aus
einem Vollzylinder 33, an den auf dessen dem Differenzdrucksensor-Chip 5 zugewandten
Seite ein Abschnitt 35 angeformt ist, der die unter der
Messmembran 7 befindliche dem ersten Träger 1 zugewandten
Ausnehmung 15 des Differenzdrucksensors-Chips 5 unter
Freilassung der ersten Druckmesskammer 21 ausfüllt.
-
Das
zweite Membranbett 31 wird durch eine Mantelfläche einer
im deckelförmigen
zweiten Träger 3 vorgesehenen
Ausnehmung gebildet, die die Messmembran 7 überdeckt.
Das zweite Membranbett 31 weist vorzugsweise eine Form
auf, die einer Biegelinie der Messmembran 7 nachempfunden
ist, die die Messmembran 7 einnimmt, wenn sie durch ein
Einwirken einer einseitigen Überlast
in Richtung des zweiten Membranbetts 31 ausgelenkt wird.
Das zweite Membranbett 31 wird vorzugsweise hergestellt,
indem die Biegelinie der Messmembran 7 beim Einwirken dieser
einseitigen Überlast
mittels optischer Verfahren aufgezeichnet wird, und eine Formgebung
des zweiten Membranbetts 31 mittels mechanischer oder ätztechnischer
Bearbeitung entsprechend der aufgezeichneten Biegelinie erfolgt.
-
Die
unterschiedliche Ausgestaltung der beiden Membranbetten 29, 31 folgt
in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
der Asymmetrie des Differenzdrucksensor-Chips 5. Der Berstwert
des dargestellten Differenzdrucksensor-Chips 5 ist bei
einer über
den zweiten Träger 3 zugeführten Überlast
deutlich höher
als bei einer über
den ersten Träger 1 zugeführten Überlast.
Entsprechend ist die Formgebung des zweiten Membranbetts 31,
dass bei einer über
den ersten Träger 1 zugeführten Überlast
zum Einsatz kommt, für
den Schutz der Messmembran 7 deutlich wichtiger als die
Formgebung des ersten Membranbetts 29.
-
Zur
weiteren Verbesserung der Überlastfestigkeit
des erfindungsgemäßen Differenzdruckwandlers kann
das erste Membranbett analog zu dem zweiten Membranbett 31 ausgestaltet
sein. 2 zeigt einen Differenzdruckwandler mit einem
solchen Membranbett 29a. Es weist eine Form auf, die einer
Biegelinie der Messmembran 7 nachempfunden ist, die die
Messmembran 7 einnimmt, wenn sie durch ein Einwirken einer einseitigen Überlast
in Richtung des ersten Membranbetts 29a ausgelenkt wird.
Die Herstellung dieses ersten Membranbetts 29a erfolgt
auch hier vorzugsweise, indem die Biegelinie der Messmembran 7 beim
Einwirken dieser einseitigen Überlast
mittels optischer Verfahren aufgezeichnet wird, und eine Formgebung
des zweiten Membranbetts 31 mittels mechanischer oder ätztechnischer
Bearbeitung entsprechend der aufgezeichneten Biegelinie erfolgt.
-
Der
erfindungsgemäße Differenzdruckwandler
weist den Vorteil auf, dass der Überlastschutz
für die Messmembran 7 bereits
auf der Ebene des Differenzdrucksensor-Chips 5 realisiert
ist. Hierdurch werden metallische Messaufnehmerblocks zur Aufnahme
separater metallischer Überlastmembranen,
sowie die zugehörigen
zu deren hydraulischer Einbindung erforderlichen Druckübertragungsleitungen überflüssig. Entsprechend
weist der erfindungsgemäße Differenzdruckwandler
ein sehr viel geringeres Gewicht und geringere Abmessungen auf,
und kann daher vielseitiger eingesetzt werden. Während die metallischen Überlastmembranen
von herkömmlichen
Differenzdruckwandlern bereits einen Außendurchmesser in der Größenordnung
von 50 mm aufweisen, weist der erfindungsgemäße Differenzdruckwandler als
Ganzes nur einen Außendurchmesser
in der Größenordnung
von 30 mm auf.
-
Der
erfindungsgemäße Differenzdruckwandler
benötigt
im Vergleich zu herkömmlichen
Differenzdruckwandlern mit separaten Überlastmembranen sehr viel
weniger Druck übertragende
Flüssigkeit
zur Übertragung
der Drücke
auf den Differenzdrucksensor-Chip 5. Dies führt zu einer
deutlichen Verbesserung der mit dem Differenzdruckwandler erzielbaren
Messgenauigkeit. Diese ist dadurch bedingt, dass ein durch die Druck übertragende
Flüssigkeit
erzeugter von der Temperatur abhängiger
Messfehler aufgrund des geringeren Flüssigkeitsvolumens geringer
ist.
-
Eine
weitere Verbesserung der Messgenauigkeit ist dadurch bedingt, dass
die metallische Überlastmembran
entfällt
und deren Funktion durch die Messmembran 7 des Differenzdrucksensor-Chips 5 übernommen
wird. Metallische Überlastmembranen
weisen regelmäßig eine
mechanische Hysterese auf, die bei herkömmlichen Diffrerenzdruckmessgeräten nach
dem Eintreten einer einseitigen Überlast
zu einem für
diese Geräte
typischen Nullpunktfehler führt.
Demgegenüber
sind Silizium-Membranen, wie die erfindungsgemäß als Überlastmembran fungierende
Messmembran 7, praktisch hysteresefrei, so dass der für herkömmliche
Differenzdruckmessgeräte
typische Nullpunktfehler nach einer einseitigen Überlast praktisch nicht mehr
auftritt.
-
Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Differenzdruckwandlers
besteht darin, dass er sehr kostengünstig herstellbar ist, da die
einzelnen Komponenten durch Standard-Verbindungstechniken auf Waferebene
in Batch Prozessen miteinander verbunden werden können. Dabei
werden alle in einem Wafer enthaltenen Diffrerenzdrucksensor-Chips 5 in
einem Arbeitsgang auf die zugehörigen
ersten Träger 1 aufgebondet.
In einem weiteren Arbeitsgang werden die zweiten Träger 3 auf
die mit den ersten Trägern 1 verbundenen
Differenzdrucksensor-Chips 5 aufgebondet.
-
Der
erfindungsgemäße Differenzdruckwandler
wird beispielsweise in ein hier nicht dargestelltes Wandlergehäuse eingesetzt,
das zwei Trennmembranen aufweist, unter denen sich jeweils eine
Druckempfangskammer befindet, die im montierten Zustand über die
Druckübertragungsleitungen 25 und 27 an
die jeweilige zugeordnete Druckmesskammer 21, 23 angeschlossen
ist, und es werden die Druckempfangskammern, die Druckübertragungsleitungen 25, 27 und
die Druckmesskammern 21, 23 mit einer Druck übertragenden
Flüssigkeit
gefüllt.
-
| 1 |
Träger |
| 3 |
Träger |
| 5 |
Diffenrenzdrucksensor-Chip |
| 7 |
Messmembran |
| 9 |
Sensorelement |
| 11 |
Kontakt |
| 13 |
Rand
des Differenzdrucksensor-Chips |
| 15 |
Ausnehmung
des Chips |
| 17 |
Stirnfläche |
| 19 |
Stirnfläche |
| 21 |
erste
Druckmesskammer |
| 23 |
zweite
Druckmesskammer |
| 25 |
erste
Druckübertragungsleitung |
| 27 |
zweite
Druckübertragungsleitung |
| 29 |
erstes
Membranbett |
| 29a |
erstes
Membranbett |
| 31 |
zweites
Membranbett |
| 33 |
Vollzylinder |
| 35 |
Abschnitt |